Разорвать воздух на скорости звука и устремиться к горизонту, вытянув руки по швам в своём железном костюме. В мгновение ока оказаться в любой точке земного шара без необходимости стоять в пробке. Летать без крыльев, не будучи на борту самолёта или чего покрепче. Пусть бросит в меня камень тот, кто не хотел оказаться на месте Тони Старка в его звёздные моменты (конечно, в костюме «Железного человека»). Частично эти мечты сумеет реализовать экзоскелет — устройство, который может увеличить способности человека (по большей части физические, мускульную силу) за счет внешнего каркаса. О том, что собой представляет это устройство, какие наработки уже имеются и как технологии будут развиваться в будущем, мы расскажем в этом материале.

От эластипеда до «железного человека»

Наука и технологии — это без преувеличений самая лютая гонка изобретательности человека и природы. Всю свою историю человек пытается переделать мир вокруг себя под свои нужды. Где-то это ему удаётся, часто не без вреда для природы. Где-то приходится подглядывать у неё. И если у большинства беспозвоночных в том или ином виде есть внешний скелет, у человека его нет. Но ведь и крыльев не было? В наше время под экзоскелетом подразумевается механический костюм или его часть до 2–2,5 метра высотой. Дальше идут «мобильные костюмы», меха и другие гигантские человекоподобные роботы. Как и многое другое в нашей жизни, экзоскелеты постепенно перешагивают границу, разделяющую смелые мечты и повседневную жизнь. Будучи изначально просто идеями, концептами, мифами и легендами научной фантастики, сегодня чуть ли не каждую неделю появляются новые варианты экзоскелетов. Первым изобретателем экзоскелета считается русский «инженеръ-механикъ» Николай Фердинандович Ягн, который ещё в 1890-х годах зарегистрировал ряд патентов на эту тему. Он жил в Америке, где, собственно, и патентовал свои чудеса, показывал их на выставках, а по возвращении на родную землю снова изобретал. Его экзоскелет должен был облегчить ходьбу, бег и прыжки в первую очередь, солдат. Уже тогда русский гений предвидел потенциальную военную мощь подобных устройств.

НИКОЛАЙ Фердинандович ЯГН Кроме экзоскелета Ягн разработал охлаждающие занавески, гидромотор, качающийся винт, самовар-стерилизатор и другие устройства

Hardiman

Не будем отрицать, гигантский и необъятный вклад в развитие экзоскелетов внесли фантасты. В 1959 году после нашумевшего романа Роберта Хайнлайна «Звёздный десант» всем стало понятно, что за внешними каркасными костюмами — будущее военных действий и не только. И понеслось. Первый экзоскелет был создан компанией General Electric при поддержке Министерства обороны США в 1960-х годах. Hardiman весил 680 килограммов и мог поднимать грузы весом до 110 килограммов. При всех гигантских амбициях — а его хотели использовать и под водой, и в космосе, и боеголовки таскать, и ядерные стержни — показал он себя не лучшим образом. О нём благополучно забыли.

Отдалённо напоминающее экзоскелеты устройство «педомотор» изобретателя Лесли С. Келли, разработанное в 1917 году

Девять лет спустя Миомир Вукобратович из югославского Белграда показал первый силовой шагающий экзоскелет, задача которого была давать людям с параличом нижних конечностей возможность шагать. В основе устройства лежал пневмопривод. Советские учёные из Центрального института травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова проявили первые инициативы по разработке экзоскелетов совместно с югославскими коллегами на основе работ именно Вукобратовича. Но с началом перестройки проекты были закрыты, а о секретных подпольных разработках экзоскелетов данных нет. Зато с освоением космоса всё было хорошо. В разное время в разных странах умельцы пытались сделать экзоскелеты самого разного назначения, но в силу самых разных препятствий (о которых мы ещё поговорим) удавалось это в край плохо. Нехватка энергоносителей, медленный рост научно-технического прогресса, развития материаловедения и прочих смежных наук, а также развитие компьютерных вычислений и кибернетики, волна которых поднялась только лет 30 назад, — всё это тормозило развитие экзоскелетов. Без всяких сомнений, это сложнейшие технологии, которые людям ещё предстоит освоить.

Проблемы экзоскелетов

На этой планете не так много материалов, из которых можно сделать жесткий каркас и который не усугубит дело своим весом. Во всяком случае, их было не много, но с учетом космических полетов, военных наработок, развития материаловедения, нанотехнологий и еще десятка-другого интересных сфер, человечество постепенно берет один барьер за другим. В начале 21 века интерес к экзоскелетам разгорелся с недюжинной силой и продолжает гореть до сих пор. Но сначала поговорим об основных проблемах, с которыми сталкиваются создатели экзоскелетов. Если разложить гипотетический экзоскелет на составляющие, у нас будут: источник питания, механический скелет и программное обеспечение. И если с двумя последними пунктами вроде бы все ясно и проблем почти не осталось, то источник питания — это серьезная проблема. Имея нормальный источник питания, инженеры могли бы не просто создать экзоскелет, а еще и объединить его со скафандром и реактивным ранцем. Получился бы костюм «Железного человека», наверное, но новый Тони Старк пока не явился.

Питание Любой из компактных источников питания на сегодняшний день может обеспечить экзоскелету лишь несколько часов автономной работы. Дальше — зависимость от провода. У неперезаряжаемых и аккумуляторных батарей есть свои ограничения вроде необходимости замены или медленной зарядки, соответственно. Двигатели внутреннего сгорания должен быть слишком надежным, но не особо компактным. К тому же, в последнем случае понадобится дополнительная система охлаждения, а сам двигатель внутреннего сгорания сложно настроить на моментальный выброс большого количества энергии. Электрохимические топливные элементы могут быстро заправляться жидким топливом (например, метанолом) и давать нужный и моментальный выброс энергии, но работают при крайне высоких температурах. 600 градусов по Цельсию — относительно низкая температура для такого источника питания. С ним «железный человек» превратится в хот-дог. Как ни странно, наиболее возможным вариантом решения топливного вопроса для экзоскелетов будущего может стать самый невозможный: беспроводная передача энергии. Она могла бы решить массу вопросов, ведь ее можно передавать из сколь угодно большого реактора (и ядерного, в том числе). Но как? Вопрос открыт.

Каркас. Первые экзоскелеты делались из алюминия и стали, недорогих и простых в использовании. Но сталь слишком тяжелая, а экзоскелет обязательно должен работать и над тем, чтобы поднять свой собственный вес. Соответственно, при большом весе костюма его эффективность упадет. Алюминиевые сплавы — достаточно легкие, но накапливают усталость, а значит не особо подходят для высоких нагрузок. Инженеры находятся в поисках легких и прочных материалов, вроде титана или углеродного волокна. Они неизбежно будут дорогими, но обеспечат эффективность экзоскелета. Особую проблему представляют приводы. Стандартные гидравлические цилиндры достаточно мощные и могут работать с высокой точностью, но тяжелые и требуют наличия кучи шлангов и трубок. Пневматика, напротив, слишком непредсказуема в плане обработки движений, поскольку сжатый газ пружинит, а реактивные силы будут толкать приводы. Впрочем, разрабатываются новые сервоприводы на электронной основе, которые будут использовать магниты и обеспечивать отзывчивые движения, потребляя минимум энергии и будучи небольшими. Можете сравнить это с переходом от паровозов к поездам. Отметим еще гибкость, которая должна быть у суставов, но здесь проблемы экзоскелетов могут решить разработчики скафандров. Они же помогут разобраться с адаптацией костюма к размерам носителя.

Управление Особую проблему при создании экзоскелета представляет управление и регулировка чрезмерных и нежелательных движений. Нельзя просто так взять и сделать экзоскелет с одной скоростью реакции каждого из членов. Такой механизм может быть слишком быстрым для пользователя, а слишком медленным его не сделаешь — неэффективно. С другой стороны, нельзя положиться на пользователя и доверить датчикам считывать намерения по движениям тела: рассинхронизация движений пользователя и костюма приведет к увечьям. Нужно ограничивать обе действующих стороны. Над решением этого вопроса и ломают головы инженеры. Кроме того, нужно заранее обнаружить непреднамеренное или нежелательное движение, чтобы случайный чих или кашель не привел к вызову скорой.

Экзоскелеты и будущее

В 2010 году компании Sarcos и Raytheon совместно с Министерством обороны США показала боевой экзоскелет XOS 2. Первый прототип вышел за два года до этого, но не вызвал переполоха. А вот XOS 2 оказался настолько крутым, что журнал Time включил экзоскелеты в список пяти лучших военных инноваций года. С тех пор ведущие инженеры мира, ломают головы над созданием экзоскелетов, которые смогут обеспечить преимущество на поле боя. И за пределами него тоже.

Что мы имеем на сегодняшний день?

ReWalk Этот экзоскелет был представлен в 2011 году и был предназначен для людей с ограниченными возможностями. В январе 2013 года вышла обновленная версия — ReWalk Rehabilitation, а уже в июне 2014 года FDA одобрило использование экзоскелета на публике и дома, тем самым открыв ему дорогу в коммерческом плане. Система весит около 23,3 кг, работает на базе Windows и работает в трех режимах: идти, сидеть и стоять. Стоимость: от 70 до 85 тысяч долларов.

XOS Серия этих военных экзоскелетов находится в активной разработке (на очереди XOS 3). Весит около 80 кг и позволяет владельцу с легкостью поднимать 90 лишних кг. Последние модели костюма настолько подвижны, что позволяют играть с мячом. Как отмечают производители, один XOS может заменить трех солдат. Возможно, третье поколение экзоскелета будет уже ближе к тому, что мы видим на экранах фантастических фильмов последних лет. Увы, пока он привязан к внешнему источнику питания.

HULC. Human Universal Load Carrier — творение известной компании Lockheed Martin совместно с Berkeley Bionics. Этот экзоскелет также предназначен для военных. Основа — гидравлика и литий-полимерные батареи. Правильно загрузив внешний каркас, с его помощью можно переносить до 140 кг лишнего груза. Предполагается, что солдаты смогут использовать HULC а-ля «я и друг мой грузовик» в течение 72 часов. Разработка идет полным ходом, поэтому неудивительно, что именно HULC могут первыми поступить на вооружение США.

ExoHiker, ExoClimber и eLEGS (Ekso). Прототипы, опять же, Berkeley Bionics, предназначенные для выполнения различных задач. Первый должен помочь путешественникам переносить груз до 50 кг, был представлен в феврале 2005 года и весит около 10 кг. Учитывая небольшую солнечную панель, может работать очень и очень долго. ExoClimber — это десятикилограммовое дополнение к ExoHiker, позволяющее носителю прыгать и взбираться по ступенькам. В 2010 году наработки Berkeley Bionics вылились в eLEGS. Эта система — полноценный гидравлический экзоскелет, который позволяет парализованным людям ходить и стоять. В 2011 году eLEGS был переименован в Ekso. Он весит 20 кг, передвигается с максимальной скоростью в 3,2 км/ч и работает в течение 6 часов.

HAL. Очередной нашумевший экзоскелет от японского производителя роботов Cyberdyne. Его назначение — обеспечить возможность ходить людям с ограниченными возможностями. Есть два основных варианта: HAL-3 и HAL-5. С момента презентации в 2011 году, меньше чем за год HAL приняли «на вооружение» более 130 медицинских институтов по всей стране. Однако испытания будут продолжаться весь 2014 и, возможно, 2015 год. В августе 2013 года HAL получил карт-бланш на использование в качестве медицинского робота в Европе. Новейшая модель костюма весит около 10 кг.

Cредняя стоимость медицинского экзоскелета — 90 тысяч долларов.

Помимо серьезных экзоскелетов на все тело, все большей популярностью пользуются ограниченные экзоскелеты, предназначенные для выполнения специфических задач. Например, в августе этого года был показан экзостул Chairless Chair, позволяющий сидеть стоя. Компании Daewoo и Lockheed Martin независимо друг от друга показали экзоскелеты для работников судостроительных верфей. Эти устройства позволяют рабочим удерживать груз или инструмент весом до 30 кг, особо не напрягаясь. В России разработкой экзоскелета под названием «ЭкзоАтлет» занимается команда ученых, собранная на базе НИИ Механики МГУ. Они продолжают начатые еще в СССР разработки Вукобратовича, о которых мы упоминали выше. Первый рабочий пассивный экзоскелет этой команды был разработан для сотрудников МЧС, пожарных и спасателей.

При весе в 12 кг конструкция позволяет без особых усилий переносить до 100 кг груза. В планах компании — разработка силовой модели ExoAtler-A, которая позволит переносить до 200 кг, а также медицинского экзоскелета для реабилитации людей с ограниченными возможностями. Объединяет все эти костюмы то, что представлены они по большей части в качестве прототипов. Значит, будут совершенствоваться. Значит, их ждут полевые испытания. Значит, будут новые модели. Значит, за ними будущее. Пока говорить о том, что рабочий и полезный экзоскелет можно пойти и купить на черном рынке, рановато. Но начало положено, а развитие этого направления уверенно входит в широкое русло. До костюма Тони Старка нам еще далековато, но что мешает радоваться зрелищным фильмам?

Любителям зрелищных разборок с участием экзоскелетов всегда будет что посмотреть: «Чужие» (1986), «Железный человек» (2008), «Аватар» (2009), «Район №9» (2009), «Мстители» (2012), «Элизиум» (2013), «Грань будущего» (2014). Одно известно наверняка: экзоскелеты в будущем будут повсюду. Они помогут нашим космонавтам освоить Марс, построить первые колонии и с удобством управляться в космосе. Они станут на вооружение в военном сегменте, поскольку по умолчанию наделяют солдат сверхчеловеческой силой. Они дадут возможность полноценно передвигаться тем, кто ее потерял. Костюм «Железного человека» однажды станет реальным, как и все, что вы видите вокруг.

«ЭкзоАтлет»

Источник